陳 偉 張 帆 喻 征 錢(qián)子棟 單 帥

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)飛機(jī)的需求量越來(lái)越大，其中起落架是飛機(jī)重要組成部分，確保飛機(jī)的起飛與降落的安全。油針作為起落架中的一個(gè)主要零件，在起落架緩沖過(guò)程中能夠發(fā)揮通油及限流的作用，其形狀設(shè)計(jì)大同小異，相對(duì)簡(jiǎn)單，此類(lèi)航空零件材料多采用具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐低溫等特點(diǎn)的鋁及鋁合金[1]，但尺寸精度要求較高，且此類(lèi)零件一般長(zhǎng)徑比大于20，屬細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件[2]，加工困難，精度難以保證。

1 零件分析

如圖1所示為涉及零件外形尺寸，長(zhǎng)度達(dá)600 mm，直徑僅為30 mm(7級(jí)公差)，外圓表面分布3處變截面圓弧限流凹槽，各截面凹槽底部至零件中心線距離d0尺寸公差帶僅0.1 mm，此零件不僅尺寸精度要求高，且凹槽的存在減小了零件橫截面積，從而降低了零件的剛性，另由于零件材料為鋁合金，剛性本身較鋼件更差，在加工中產(chǎn)生切削力、切削熱、振動(dòng)等因素將直接影響零件的加工尺寸精度及形位精度[3]；并且切削參數(shù)不夠合理的時(shí)候，就很容易出現(xiàn)加工零件震動(dòng)的問(wèn)題，進(jìn)而降低加工精度，引發(fā)加工變形[4]。因此，為保證此類(lèi)零件的質(zhì)量，使其更好地發(fā)揮作用，提出一種有效的加工方法至關(guān)重要。

2 加工參數(shù)的選擇

2.1 刀具參數(shù)的確定

2.1.1 車(chē)削刀具參數(shù)的確定

零件材料雖為鋁合金，較易切削，但鋁合金材料不宜磨削加工，故只能車(chē)削加工，若刀具不夠鋒利，表面粗糙度將無(wú)法滿足要求，一般來(lái)講，前角越大刀具越鋒利，但過(guò)大容易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，且隨車(chē)刀前角的增大及切削深度ap的減小，振動(dòng)隨之下降[3]，周宇[5]分析研究了細(xì)長(zhǎng)軸的加工特性，并分析了刀具刃傾角以及刀具前角對(duì)徑向力的影響，最終選出了最佳的刀具幾何參數(shù)，此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中粗車(chē)時(shí)取車(chē)刀前角γ0=20°、切削深度ap=0.1 mm，精車(chē)時(shí)取車(chē)刀前角γ0=25°、切削深度ap=0.05 mm，另外刃傾角λs的存在也將提高刀具鋒利度，但也不宜過(guò)大，取λs=5°適宜。車(chē)刀材料使用高速鋼，能夠克服加工變形，是保證幾何公差的關(guān)鍵[6]，綜上所述，在加工過(guò)程中將自制高速鋼車(chē)削刀具，刀刃要磨直，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.2 銑削刀具規(guī)格的確定

由于工件限流槽的特殊結(jié)構(gòu)——圓弧型，在采用立式加工中心銑削的情況下，僅能采用球頭銑刀輪廓銑削才能加工出連續(xù)的圓弧表面，銑刀直徑應(yīng)根據(jù)限流槽圓弧直徑?jīng)Q定，為保證限流槽圓弧直徑，此銑刀直徑必須小于限流槽圓弧直徑。上述零件圓弧槽半徑為10.5 mm，在加工過(guò)程中球頭銑刀直徑可選為10 mm，同車(chē)刀原理，采用高速鋼材料，如圖3所示，刀頭部分設(shè)置4刃，刀刃要鋒利，刀具裝刀長(zhǎng)度盡可能短，在加工過(guò)程中能起到避免由于刀具震動(dòng)造成零件表面質(zhì)量差的作用。

2.2 粗加工余量的確定

目前經(jīng)驗(yàn)顯示，對(duì)于此類(lèi)高精度零件的加工分為粗精加工,但粗加工留有余量越大，精加工時(shí)間越長(zhǎng)，降低了零件加工效率；且球頭銑切削量越少，刀具壽命越長(zhǎng)；若余量過(guò)小，可能由于在釋放粗加工過(guò)程中零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力后造成變形量過(guò)大而導(dǎo)致精加工余量不足；另外，為了減少精加工后零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，精加工切削量盡可能少，如車(chē)削時(shí)，在調(diào)整好零件錐度后應(yīng)將單邊余量控制在0.1 mm之內(nèi)。為此，選定粗車(chē)后零件直徑D1=D+(0.6～1.4) mm，其中D為零件最終直徑；選定粗銑后限流槽表面余量為0.2～0.6 mm。在實(shí)驗(yàn)加工過(guò)程中將選擇多組粗加工余量，如表1所示。

表1 粗加工余量

3 加工方案

3.1 毛料確定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求零件材料為7050鋁合金，為滿足零件加工要求，選用φ40 mm×700 mm的棒料作為此實(shí)驗(yàn)用料。

3.2 裝夾方式

卡盤(pán)頂尖的裝夾方式在細(xì)長(zhǎng)軸的加工中是最常使用的裝夾方式[7]。同時(shí)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試加工，頂尖頂尖裝夾精車(chē)外圓時(shí)，由于限流槽的存在出現(xiàn)必定斷屑切削的情況，加之頂尖頂尖裝夾方式相當(dāng)于簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較差，零件表面震刀紋明顯，故加工此零件將采用卡盤(pán)頂尖的裝夾方式，如圖4所示為零件車(chē)削加工裝夾示意圖，右端設(shè)計(jì)夾頭供卡盤(pán)加持，左端設(shè)計(jì)頂尖孔。

圖4裝夾方式同樣適用于四軸加工中心銑削限流槽，由于在銑削過(guò)程中銑刀對(duì)工件產(chǎn)生的作用力，而零件懸空部分較長(zhǎng)，必然造成零件彎曲變形，最終影響尺寸精度，故需要在銑削過(guò)程中為零件提供支撐力，與刀具作用力抵消，達(dá)到減小變形的目的。如圖5所示，可在零件下方放置柔性支撐，具體操作為：事先可在無(wú)支撐情況下銑削，通過(guò)千分表頭測(cè)量支撐部位跳動(dòng)值，然后通過(guò)超靜定梁撓度方程計(jì)算來(lái)反推所需支撐力的大小；然后通過(guò)調(diào)整柔性支撐的高度來(lái)使其與工件接觸，但柔性支撐內(nèi)部彈簧處于自由狀態(tài)，即此時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生任何作用力；最后通過(guò)調(diào)節(jié)柔性支撐內(nèi)部彈簧壓縮量來(lái)控制柔性支撐對(duì)工件的作用力，此作用力應(yīng)與最初判斷所需的支撐力相等。

3.3 銑削走刀形式

精銑限流槽時(shí)，為保證槽型與實(shí)際相符，如圖6所示編制程序時(shí)沿截面圓弧進(jìn)刀，銑削圓弧截面橫向步距為0.05 mm(即每隔0.05 mm銑削一個(gè)圓弧截面)，采用G02G19圓弧插補(bǔ)指令。

3.4 機(jī)床在線檢測(cè)

精銑限流槽時(shí)，為消除機(jī)床及對(duì)刀誤差，保證零件尺寸，必須在一次裝夾狀態(tài)下完成加工，故不僅需要加工時(shí)進(jìn)行抬刀，更需要安排機(jī)床在線測(cè)量，以便判斷尺寸是否加工到位，具體操作如下：如圖7所示，先用千分尺測(cè)量零件外圓直徑記錄為D，在每個(gè)限流槽加工完成后，可以將探針安裝在機(jī)床主軸上，通過(guò)探針探測(cè)外圓最高點(diǎn)Z值記錄為Z0，然后探測(cè)每個(gè)截面最低點(diǎn)Z值記錄為Zi，此時(shí)可以通過(guò)式(1)間接計(jì)算出每個(gè)截面最低點(diǎn)至零件中心距離di，若di值落在理論值d0公差范圍之內(nèi)即可認(rèn)定此限流槽已加工合格，若di值大于理論值d0的上差值，則需要通過(guò)降刀重新加工，如此直至di值落在理論值d0公差范圍之內(nèi)。

(1)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為減小加工應(yīng)力對(duì)工件最終尺寸的不利影響，加工流程需遵循粗車(chē)→半精車(chē)→人工時(shí)效→粗銑→人工時(shí)效→精車(chē)→人工時(shí)效→精銑的加工流程，在此加工流程前提條件不變的情況下，分別按表1設(shè)置的3組粗加工余量加工出3件試驗(yàn)件，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分別測(cè)量零件外圓直線度，得出與理論要求直線度對(duì)比數(shù)據(jù)如圖8所示，可以看出余量選擇越大，直線度值越大，表示直線度越差；另通過(guò)3D掃描儀測(cè)量實(shí)際di值得出數(shù)據(jù)如表2所示，可見(jiàn)第1組每個(gè)截面不同槽尺寸相差不大，最大存在0.011 mm偏差，第2組中最大偏差為0.045 mm，第3組最大偏差達(dá)到0.069 mm，故隨著精加工時(shí)余量的增加，各截面di值波動(dòng)越大，變形越大。

通過(guò)機(jī)床在線檢測(cè)方法計(jì)算得出di值如表3所示，對(duì)比表2數(shù)據(jù)可見(jiàn)機(jī)床在線測(cè)量與3D掃描儀測(cè)量數(shù)據(jù)相近，最大偏差值在0.02 mm，故此在線檢測(cè)方法可信度較高。

表2 不同組不同截面di實(shí)測(cè)值

表3 不同組不同截面di在線測(cè)量值

5 結(jié)語(yǔ)

(1)精加工時(shí)余量越大，造成零件內(nèi)部殘余應(yīng)力越大，零件越易變形，尺寸穩(wěn)定性及形位公差越差，但考慮到粗加工時(shí)殘余應(yīng)力造成的變形，精加工余量不宜過(guò)小。

(2)在無(wú)法用普通測(cè)量方法來(lái)判斷零件是否合格的情況，可采用機(jī)床在線測(cè)量方案來(lái)測(cè)量零件尺寸，以達(dá)到初步判斷零件余量的目的，然后通過(guò)循序漸進(jìn)的形式進(jìn)刀防止零件超差的情況產(chǎn)生。

(3)加工鋁合金材料的細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件，采用柔性輔助支撐的方法簡(jiǎn)單有效，能夠抵消部分刀具對(duì)工件的作用力，減小加工過(guò)程中產(chǎn)生的變形。